초록

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이 연구에서는 원자 궤도 함수 기반 DFT 전자구조 계산을 이용해서 최근 각광받고 있는 이차원 물질인 MoS2 monolayer의 S 자리와 Mo 자리에 각각 전자가가 다른 원자를 치환하였을 때의 도핑 특성을 Density of States (DOSs)와 밴드구조 등의 전자구조를 통해 분석해 보았다. S자리에 Cl, Si, I, B, C, Mo 자리에는 Hf, Ta, 그리고 Re을 치환해 보았으며 계산 결과 S자리에 Cl을 치환했을 때 가장 얕은 acceptor level (VBM으로부터 0.08 eV)이 형성되었으며, Mo자리에 Re를 치환했을 때에는 resonant state를 형성하였다. 또한 Mo자리에 Ta를 치환했을 ? 가장 얕은 donor level (CBM으로부터 0.02 eV)가 형성되었다.

이 연구에서는 원자 궤도 함수 기반 DFT 전자구조 계산을 이용해서 최근 각광받고 있는 이차원 물질인 MoS2 monolayer의 S 자리와 Mo 자리에 각각 전자가가 다른 원자를 치환하였을 때의 도핑 특성을 Density of States (DOSs)와 밴드구조 등의 전자구조를 통해 분석해 보았다. S자리에 Cl, Si, I, B, C, Mo 자리에는 Hf, Ta, 그리고 Re을 치환해 보았으며 계산 결과 S자리에 Cl을 치환했을 때 가장 얕은 acceptor level (VBM으로부터 0.08 eV)이 형성되었으며, Mo자리에 Re를 치환했을 때에는 resonant state를 형성하였다. 또한 Mo자리에 Ta를 치환했을 ? 가장 얕은 donor level (CBM으로부터 0.02 eV)가 형성되었다.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 이 챕터에서는 DOS와 band 구조를 보이고, 각각의 dopant에서 defect level의 위치를 CBM과 VBM으로부터의 거리로서 나타낼 것이다. Carrier를 많이 만들 수 있는 얕은 도펀트를 찾아내는 것이 이 연구의 목적이다. 이 연구의 목적이다.
• 이 챕터에서는 DOS와 band 구조를 보이고, 각각의 dopant에서 defect level의 위치를 CBM과 VBM으로부터의 거리로서 나타낼 것이다. Carrier를 많이 만들 수 있는 얕은 도펀트를 찾아내는 것이 이 연구의 목적이다. 이 연구의 목적이다.

가설 설정

• Supercell 에 acceptor doping 을 했을 때는 defect 가 valence band 에 perturbation 을 많이 줄 수 있기 때문에 상대적으로 perturbation 이 적은 defect cell 에서의 CBM 을 bulk 의 CBM 이라고 가정하여 bulk 의 밴드 갭을 빼서 bulk 의 VBM 을 유추한 후 defect level 의 위치를 정의했다. 마찬가지로 donor doping 을 했을 때는 defect cell 의 VBM 을 bulk 의 VBM 이라고 가정하고 bulk의 CBM을 유추한 후 defect level을 정의했다.
• Supercell 에 acceptor doping 을 했을 때는 defect 가 valence band 에 perturbation 을 많이 줄 수 있기 때문에 상대적으로 perturbation 이 적은 defect cell 에서의 CBM 을 bulk 의 CBM 이라고 가정하여 bulk 의 밴드 갭을 빼서 bulk 의 VBM 을 유추한 후 defect level 의 위치를 정의했다. 마찬가지로 donor doping 을 했을 때는 defect cell 의 VBM 을 bulk 의 VBM 이라고 가정하고 bulk의 CBM을 유추한 후 defect level을 정의했다.

제안 방법

• MoS2 monolayer의 S 자리와 Mo 자리에 전자가가 다른 원자를 치환하였을 때의 도핑 특성을 알아보기 위해 도핑은 각각 MoS₂ 4ⅹ4ⅹ1 hexagonal supercell로 이루어진 MoS2 monolayer에 하나의 원자를 치환하였다. Priodic boundary condition (PBC)에 의한 monolayer사이의 상호작용을 최소화 하기 위하여 monolayer사이의 간격은 20Å로 설정하였다.
• Priodic boundary condition (PBC)에 의한 monolayer사이의 상호작용을 최소화 하기 위하여 monolayer사이의 간격은 20Å로 설정하였다.
• S 자리에 B, C, Si 를 치환했을 때처럼 DOS 를 통해 VBM 과 CBM 에 대해 defect level 이 얼마나 떨어져 있는지 계산하였다.
• 731 Å이다. S 자리에는 Cl, Si, I, B, 그리고 C를 치환하였고, Mo 자리에는 Hf, Ta, 그리고 Re를 치환하였다.
• 또한 Density of States(DOS)를 구하기 위해서 Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) 프로그램을 사용하였다. 모든 defects 에 대해 energy cut off 는 450 eV 를 적용하였고, Brillouin zone 은 super cell 을 relaxation 할 때에는 2ⅹ2ⅹ1 Monkhorst-Pack k grid 를 적용하였다. Density of States(DOS)를 구하기 위해서는 모든 defects 에 대해 5ⅹ5ⅹ3 Monkhorst-Pack k grid를 적용하였다.
• 원자 궤도 함수 (Atomic orbital basis sets) 기반 monolayer의 S 자리와 Mo 자리에 전자가가 다른 밀도 범함수 이론 (DFT)을 바탕으로 MoS₂ 원자를 치환하였을 때의 도핑 특성을 DOS와 밴드구조 등의 전자구조계산 결과를 통해 알아보았다. donor중에 가장 얕은 defect level을 가지거나 resonance를 이루는 dopant는 각각 Cl (0.
• 이번 논문에서는 SIESTA에 구현되어 있는 원자 궤도 함수 (Atomic orbital basis sets) 기반 밀도 범함수 이론 (DFT)을 바탕으로 MoS2 monolayer의 S자리와 Mo 자리에 전자가가 다른 원자를 치환하였을 때의 도핑 특성을 Density of States (DOSs)와 밴드구조 등의 전자구조계산 결과를 통해 유추해 볼 것이다. 이를 통해 가장 효율적인 도펀트를 찾아볼 것이다.
• XC(eXchange-Correlation)는 GGA-PBE방법으로 설정하였다. 지정된 역공간상 경로에서 전자의 고유에너지값을 계산하고 밴드구조를 도출하기 위해서 Post processing은 Band로 설정하였다.

데이터처리

• 또한 Density of States(DOS)를 구하기 위해서 Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) 프로그램을 사용하였다. 모든 defects 에 대해 energy cut off 는 450 eV 를 적용하였고, Brillouin zone 은 super cell 을 relaxation 할 때에는 2ⅹ2ⅹ1 Monkhorst-Pack k grid 를 적용하였다.

이론/모형

• 모든 defects 에 대해 energy cut off 는 450 eV 를 적용하였고, Brillouin zone 은 super cell 을 relaxation 할 때에는 2ⅹ2ⅹ1 Monkhorst-Pack k grid 를 적용하였다. Density of States(DOS)를 구하기 위해서는 모든 defects 에 대해 5ⅹ5ⅹ3 Monkhorst-Pack k grid를 적용하였다.
• 02)을 사용하였다. XC(eXchange-Correlation)는 GGA-PBE방법으로 설정하였다. 지정된 역공간상 경로에서 전자의 고유에너지값을 계산하고 밴드구조를 도출하기 위해서 Post processing은 Band로 설정하였다.
• 밴드구조를 계산하기 위해 EDISON (EDucation-research Integration through Simulation On the Net) NanoPhysics에서 제공하는 Linear Combination of Atomic Orbitals 기반 Density Functional Theory 전자구조계산 SW(ver. 1.02)을 사용하였다. XC(eXchange-Correlation)는 GGA-PBE방법으로 설정하였다.

성능/효과

• 그 결과 Hf doping의 defect level은 VBM보다 0.19 eV 위에, Ta doping의 defect level은 VBM보다 0.02 eV 위에 위치하였다.

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이 논문을 인용한 문헌

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